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Regeneración celular por el uso de Nanotecnologia, Biologia, Biomedica
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Introducción a Ingeniería Biomedica
Fecha de Entrega: 3 de Diciembre del 2014
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Regeneración Celular por Nano-tecnología
ÍNDICE
INTRODUCCIÓN................................................................................................................................... 3
MARCO TEÓRICO................................................................................................................................ 4
2.1 NANOTECNOLOGÍA...................................................................................................................................42.2 HISTORIA DE LA NANOTECNOLOGÍA.........................................................................................................52.3 NANOTECNOLOGÍA EN LA MEDICINA........................................................................................................6
2.3.1 Ingeniería en tejidos.........................................................................................................................62.3.2 Células madre..................................................................................................................................72.3.3 Medicina regenerativa.....................................................................................................................8
DESARROLLO..................................................................................................................................... 10
3.1 Aplicaciones específicas de la nanotecnología en medicina..............................................................103.1.1 Dermatología.................................................................................................................................103.1.2 Regeneración pulmonar.................................................................................................................113.1.3 Regeneración cardiovascular (corazón)........................................................................................133.1.4 Enfermedades neurodegenerativas.................................................................................................14
3.1.4.1 Tratamientos para el Parkinson.................................................................................................................153.1.4.2 Tratamientos para el Alzheimer................................................................................................................16
3.2 NANO-MATERIALES EN MEDICINA..................................................................................................................17
CONCLUSIÓN...................................................................................................................................... 19
REFERENCIAS..................................................................................................................................... 20
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Introducción
En el presente documento se hizo una investigación sobre como se podría llegar a
una regeneración de las células del cuerpo humano haciendo uso de la nano-tecnología, se
hablara sobre algunas de las áreas de las ciencias con las que más se relaciona esta
investigación, de las maneras en que esta tecnología se puede llegar a utilizar en nuestro
organismo, de que barreras se tienen que combatir en nuestro organismo para que los
fármacos y los dispositivos empleados pueden llegar a efectuar de una manera eficaz su
trabajo, también de que materiales se utilizan en la creación de las tecnologías para poder
hacer posible la regeneración celular, de las ventajas y desventajas que traen consigo la
utilización de estos materiales hacia el organismo.
Espero que en este documento se puedan aclarar dudas que llegue a tener el lector
sobre esta investigación y que al mismo tiempo la lectura sea de su agrado, también le doy
las gracias al lector por mostrar interés en este tema esperando que de esa manera despierte
algún gusto sobre esta ciencia.
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Marco teórico
2.1 Nanotecnología
La nanotecnología es el estudio y desarrollo de sistemas en escala nano-métrica que
estudia la materia desde un nivel de resolución nano-métrico, entre 1 y 100 nanómetros
aproximadamente.
Hay que saber que un átomo mide menos de 1 nanómetro pero una molécula puede
ser mayor, en esta escala se observan propiedades y fenómenos totalmente nuevos, que se
rigen bajo las leyes de la Mecánica Cuántica, estas nuevas propiedades son las que los
científicos aprovechan para crear nuevos materiales (nano-materiales) o dispositivos nano-
tecnológicos, de esta forma la nanotecnología promete soluciones a múltiples problemas
que enfrenta actualmente la humanidad, como los ambientales, energéticos, de salud (nano-
medicina), y muchos otros, sin embargo estas nuevas tecnologías pueden conllevar a
riesgos y peligros si son mal utilizadas.
La nano-tecnología, o el uso de nano-materiales, tal vez tengan la respuesta desde
que solo estos materiales pueden imitar las propiedades de la superficie de tejidos naturales.
Por estas razones, en la última década, los nano-materiales se han destacado como
candidatos prometedores en la mejora de materiales en la ingeniería de tejidos
tradicionales. Importantemente, estos esfuerzos han destacado que los nano-materiales
exhiben una superior cito-compatibilidad, mecánica, eléctrica, óptica, catalíticas y
magnéticas propiedades en comparación con materiales convencionales.
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2.2 Historia de la nanotecnología
Uno de los pioneros en el campo de la Nanotecnología es el Físico estadounidense
Richard Feynman, que en el año 1959 en un congreso de la sociedad americana de Física en
Caltech, pronunció el discurso “There’s Plenty of Room at the Bottom” en el que describe
un proceso que permitiría manipular átomos y moléculas en forma individual, a través de
instrumentos de gran precisión, de esta forma se podrían diseñar y construir sistemas en la
nano-escala átomo por átomo, en este discurso Feynman también advierte que las
propiedades de estos sistemas nano-métricos, serían distintas a las presentes en la macro-
escala.
En 1981 el Ingeniero estadounidense Eric Drexler, inspirado en el discurso de
Feynman, publica en la revista “Proceedings of the National Academy of Sciences”,el
artículo “Molecular engineering: Anapproach to the development of general
capabilities for molecular manipulation” en donde describe más en detalle lo descrito
años anteriores por Feynman. El término “Nanotecnología” fue aplicado por primera vez
por Drexler en el año 1986, en su libro “Motores de la creación: la próxima era de la
Nanotecnología” en la que describe una máquina nano-tecnológica con capacidad de auto-
replicarse, en este contexto propuso el término de “plaga gris” para referirse a lo que
sucedería si un nano-bot auto-replicante fuera liberado al ambiente.
Además de Drexler, el científico Japonés Norio Taniguchi, utilizó por primera vez
el término nano-tecnología en el año 1974, en la que define a la nano-tecnología como el
procesamiento, separación y manipulación de materiales átomo por átomo.
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2.3 Nanotecnología en la medicina
El científico en materiales Samuel Stupp y sus colaboradores diseñaron moléculas
con la capacidad de auto ensamblarse en nano-fibras una vez inyectadas en el cuerpo con
una jeringa. Cuando las nano-fibras se forman estas se pueden inmovilizar en un área de
tejidos donde es necesario activar algunos procesos biológicos. Las nano-fibras (miles de
veces más delgadas que un cabello humano) son la llave de no solo prevenir la formación
de peligrosas cicatrices en el tejido que inhabilita la curación de la medula espinal, pero de
estimular el cuerpo a regenerar células perdidas o dañadas.
2.3.1 Ingeniería en tejidos
La ingeniería de tejidos y órganos es una rama de la biomedicina, relativamente
nueva y multidisciplinaria que involucra tanto a la biología, a la medicina, a la química, a la
ciencia de los materiales como a la informática. El objetivo de esta disciplina es la
reparación, regeneración y construcción de tejidos y órganos, reproduciendo los
mecanismos intervinientes en la renovación celular dentro del propio organismo. La
ingeniería de tejidos se basa en el uso, de forma conjunta o separada, de tres elementos:
Cultivo de células.
Moléculas o grupos bio-activos (compuestos químicos que tienen un efecto
o causan una reacción en el tejido vivo), que actúan enviando señales
químicas (por ejemplo factores de crecimiento celular).
Estructuras soportes o andamios que imitan la matriz extracelular del tejido.
Esta rama ha pasado por tres progresivamente por tres etapas que serian las siguientes:
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1) Se emplean biomateriales inertes para ser usados como estructuras sustitutivas de
partes dañas del cuerpo.
2) Se aplica una matriz biodegradable con estructura porosa, reticular o trabecular en
el tejido dañado para promover el microambiente apropiado, crecimiento y
propagación in situ de las células residentes sanas que puedan implantarse en el
tejido o estar incorporadas al biomaterial que integra la matriz biodegradable para
poder acelerar la regeneración. Las matrices biodegradables pueden ser sintéticas o
naturales.
3) Esta etapa nació con la aparición de la nano-tecnología, ya que es se ha demostrado
que es un medio excelente para producir nano-materiales que se asemejen a las
estructuras biológicas, resultando como elementos complementarios muy
comprometedores.
2.3.2 Células madre
Las investigaciones realizadas en los últimos años sobre las células madre han constituido
lo que se clasifica como un revolución en la medicina regenerativa.
Una célula madre posee la capacidad de replicarse y diferenciarse dando lugar a diversos
tipos de células especializadas, estas se pueden clasificar en tres maneras:
a) Según su potencial de diferenciación en células toti-potenciales, pluri-
potenciales, multi-potenciales y uni-potenciales.
b) Según el tejido de origen en células madre embrionarias o adultas.
c) Según se capacidad de re-población tisular in vivo en corto, medio o largo
plazo de regeneración.
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Según su estado evolutivo, las células madre pueden clasificarse en embrionarias y adultas.
Célula madre embrionaria: deriva del embrión de los mamíferos en su
etapa de blastocisto y posee la capacidad de generar cualquier célula
diferenciada en el organismo.
Célula madre adulta o somática: célula especializada dentro de la
organización de las células de un tejido específico de un organismo ya
formado, que está restringida en su capacidad de diferenciación y es capaz
únicamente de generar células del tejido que representa, a las que debe
recambiar de forma natural.
Imagen No. 1: Grafico donde se muestra la capacidad de las células de transformase en otras células del organismo
2.3.3 Medicina regenerativa
Campo que involucra a la ingeniería de tejidos, pero que también incorpora a la
investigación sobre la auto-curación donde el cuerpo usa sus propios sistemas, en ocasiones
con la ayuda de algún material biológico, para recrear células y reconstruir tejidos y/u
órganos.
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Se ha llegado a utilizar como sinónimo de ingeniería de tejidos, pero la medicina
regenerativa se enfoca más en el uso de células madre para producir tejidos, mientras la
ingeniería de tejidos se enfoca más en el cultivo de células, moléculas y/o grupos bio-
activos.
Esta rama sirve debido a la combinación de células, métodos de ingeniería de
materiales y bioquímica para mejorar o reemplazar funciones biológicas para poder
reemplazar o repara parcial o totalmente tejidos.
Existen tres estrategias para su aplicación de futuros tratamientos:
Administración de células madre
Inducción de sustancias
Trasplante de órganos y tejidos in vitro.
Es un campo interdisciplinario emergente de investigación y aplicaciones clínicas
centrado en la reparación, remplazo o regeneración de células, tejidos u órganos para
restaurar una función dañada por cualquier causa, incluyendo defectos congénitos, trauma y
envejecimiento.
Esto la hace una rama multidisciplinaria que se relaciona con distintas áreas de la
biomedicina.
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Imagen No. 2: Áreas en las que la medicina regenerativa se encuentra relacionada
La medicina regenerativa es una rama de la medicina que se ha desarrollado
considerablemente en los últimos años. Los avances de este campo se han vinculado
estrechamente con los nuevos conocimientos adquiridos sobre las células madre y su
capacidad de convertirse en células de diferentes tejidos.
Desarrollo
3.1 Aplicaciones específicas de la nanotecnología en medicina
3.1.1 Dermatología
Esta es un área de investigación en crecimiento que ha llevado a la creación de
“The Nanodermartology Society (NDS)” para promover un mejor entendimiento de los
aspectos científicos y médicos de la nanotecnología en la salud y enfermedades de la piel.
Además de lo terapéutico, el aumento del uso de nano-materiales en aplicaciones
tecnológicas y de consumo ha aumentado la posibilidad de la exposición de la piel de
manera no intencional. Esto a generado un interés en determinar bajo qué condiciones
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cuales nano partículas deben penetrar la piel; una propiedad esencial para la eficacia
terapéutica pero una que pueda provocar posibles efectos negativos.
Se ha concluido que el uso de las nano partículas de dióxido de titanio (TiO2) y
oxido de zinc (ZnO) muestran una preocupación mínima en salud ya que poseen una
mínima toxicidad. Estas nano-partículas se utilizan generalmente en filtros solares ya que
tienen una mayor capacidad para absorber, dispersar y reflejar la radiación de rayos UV.
Sin embargo aun no se tienen muchos datos sobre los efectos que puedan aparecer
en piel enferma. La dermatitis, la hipersensibilidad y la psoriasis son algunas de las
condiciones más comunes. En cuanto a la foto-toxicidad, durante la exposición a radiación
UV, especies reactivas al oxigeno se forman por esas nano partículas. Esas especias
reactivas al oxigeno tienen el potencial de dañar el ADN celular u generar mutaciones,
incluso tienen un efecto perjudicial en proteínas y lípidos causando daños irreversibles a las
células.
Los efectos que pueden alterar las condiciones de la piel son largamente
desconocidos, es debido a eso que se necesitan aun una gran cantidad de estudios para
poder tratar estos síntomas.
3.1.2 Regeneración pulmonar
Empleándose alteraciones en una superficie nano-topográfica se estimulo un gran
rango de funciones celulares. Nano-pilares y nano-líneas mostraron modificar
efectivamente la dinámica en la propagación de fibroblastos cancerosos.
Estas nanotecnologías han sugerido que las células cancerígenas responden a
cambios nano-escalares en la superficie topográfica en la superficie del polímero. Zhang
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creó una gran gama de superficies nano-ásperas de poli (ácido láctico-co-ácido glicólico)
(PLGA) utilizando 190, 300, 400 y 530 nm de nano-perlas de poliestireno por medio de
moldes de PDMS. La nano-aspereza de las superficies se determino por el valor de la media
cuadrática (RMS) de 2.23, 5,03, 5.42 y 36.90 nm.
Los autores sembraron células de carcinoma de pulmón en estas superficies y
observaron el comportamiento de las células después de tres días. Las superficies de PLGA
con un RMS con valor de 0.62 nm tuvieron la menor densidad celular.
Imagen No. 3: Valores de RMS de A, B, C, D, E y F mostrando 0.62, 2.30, 2.33, 5.03, 5.42 y 36.89, respectivamente.
Los datos obtenidos en cada superficie de PLGA exhibieron la inter-relación entre
la nano-topografía y la adhesión celular. Considerando las características de las superficies
de PLGA en la nano-escala, superficies específicas de nano-aspereza puede inhibir la
adhesión de células de cancerígenas de pulmón cuando se implantan. Este resultado sugiere
un biomaterial previamente desconocido para inhibir el esparcimiento del cáncer pulmonar.
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Las nanopartículas (NP’S) son otra nanotecnología con el potencial de intervenir en el
tratamiento del cáncer pulmonar, esto se debe a que las NP’s pueden acarrear drogas o
pequeñas moléculas en orden para modular las funciones a nivel celular y nivel de tejidos.
Los autores primero químicamente sintetizaron NP’s de oxido de hierro
superparamagnetico usando N-isopropilacrilamida y ácido metacrílico (pNIPAAm-MAA)
mediante enlace covalente y luego cargan las NP’s con doxorubicina para el envió.
Encontraron que las NP’s injertado con pNIPAAm-MAA demostraron un poco cito-
toxicidad hacia las células del cáncer pulmonar.
Estos estudios sugirieron que la nanotecnología puede llegar a contribuir al control
del crecimiento las células cancerígenas mediante manipulación nano-escalar.
3.1.3 Regeneración cardiovascular (corazón)
La arquitectura nano-escalar juega un importante papel en la manipulación de la
absorción de proteínas, unión celular y funciones celulares. Cuando se comparan con
superficies planas, los escalones de nano-fibras tienen 2.6-3.9 veces más absorción de
proteínas, incluyendo proteínas de matriz extra-celular (ECM) y moléculas de adhesión.
Los nano-materiales han demostrado un mejoramiento en las funciones de los
cardiomiocitos. Un estudio reciente reporto que la adición de nano-fibras de carbono
(CNFs) en andamios de PLGA promueve el crecimiento e incremento de conductividad
eléctrica y fuerza de tensión de los andamios en comparación a sustratos de polímeros
convencionales, los resultados indican que las CNFs ayudan a proveer propiedades
similares a los tejidos cardiacos naturales.
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Los Nano-tubos de carbono (CNTs) han estado a la vanguardia de la nano-
tecnología debido a sus propiedades únicas que son eléctricas, mecánicas y térmicas. Los
CNTs tienen una nano-estructura de forma cilíndrica y con diámetros de 1 a 100 nm.
Recientemente, cuando plataformas de CNT fueron usadas en cardiomiocitos de cultivo, el
crecimiento y la actividad eléctrica de los cardiomiocitos fueron mejorados. Estos
resultados demostraron que la nano-tecnología puede mejorar el potencial regenerativo del
corazón.
Cuando el tejido del corazón está dañado debido a un ataque cardiaco, parches
cardiacos pueden tratarse para la regeneración de sitios específicos. Estos parches son
biomateriales porosos tridimensionales cultivados con cardiomiocitos saludables. La mayor
limitación de estos andamios seria la poca conductividad que inhibe el acoplamiento célula-
célula y retrasa la propagación de señales eléctricas. Se incorporaron nano-cables de oro en
andamios de alginato que puenteados con las paredes porosas de alginato resistentes a la
electricidad y mejorar el acoplamiento entre cardiomiocitos vecinos. El crecimiento celular
en estos nano-cables también produjo más proteínas específicas para la contracción
muscular y el acoplamiento eléctrico.
3.1.4 Enfermedades neurodegenerativas
Debido a las limitaciones que se poseen por la restrictiva barrera sangre-cerebro
(BBB), sistemas convencionales de transporte de fármacos no se promueven adecuados
patrones de regeneración y conexión que son esenciales para una recuperación funcional en
trastornos neurodegenerativos (NDs). La nanotecnología emplea materiales o dispositivos
que interactúan con sistemas biológicos a nivel molecular pudiendo revolucionar los
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tratamientos de NDs estimulando, en respuesta e interactuando con sitios elegidos para
inducir repuestas psicológicas mientras se minimizan efectos secundarios.
Mayormente los sistemas de trasporte de fármacos nano-tecnológicos para el
tratamiento de NDs tienen la forma de nano-partículas poliméricas, estas nano-partículas
soy muy prometedoras en el tratamiento de la enfermedad de Alzheimer (AD) y la
enfermedad de Parkinson (PD) debido a que pueden pasar por uniones celulares estrechas,
pasar la BBB, cargar una gran cantidad de fármacos, entre otras cosas.
Imagen No. 4: Ejemplos de nano-partículas para el trasporte de fármacos en el sistema nervioso central (CNS). (A) Nano-capsulas, (B-D) nano-esferas con fármacos distribuidos en una matriz de polímero o lípido, (B)) sin su superficie cubierta, (C) su superficie cubierta con surfactante y/o una capa de polientilenglicol (PEG), (D) cubierta adicional con anticuerpos.
3.1.4.1 Tratamientos para el Parkinson
Otro de los materiales que se han visto para el tratamiento de las NDs (en este caso el
Parkinson) son los nano-tubos de carbono, ya que estos se pueden utilizar para mejorar la
estimulación eléctrica crónica del sistema nervioso central (CNS), además de ser huecos, de
bajo peso, químicamente inertes y tienen una gran resistencia mecánica.
Estos también podrían ser utilizados para facilitar el transporte del fármaco
dopamina (neurotransmisor cerebral) ya que este no entraría en contacto con la BBB,
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también se podrían utilizar para poder monitorizar la producción de dopamina y poder tener
controlados sus niveles y de la misma manera controlando el Parkinson.
Otro tratamiento seria la utilización de células madre. Las células madre podrían
reparar nervios dañados rápida y eficazmente. Nano-fibras biodegradables a base de
polímero se diseñaron para crear un andamio para hacerlo posible. El andamio se inyecta en
el área del cuerpo donde sea necesaria la regeneración del nervio. A medida que el tiempo
pasa, el andamio se elimina naturalmente del cuerpo, dejando intactos los nervios
recientemente regenerados.
3.1.4.2 Tratamientos para el Alzheimer
El Alzheimer aparece debido a una acumulación de dos proteínas en mal estado, β-
amiloide y Tau. La acumulación de estas dos proteínas acaba produciendo la perdida de
neuronas.
La quinolina clioquinol derivado (CQ) es un Cu2+/Zn2+ conocido por solubilizar las
plaquetas de amiloide e inhibe su acumulación, lo que puede provocar el llegar a controlar
o curar el Alzheimer. Se demostró que NPs del CQ cargado con poly-butylcyanoacrylate
(PBCA) pudo cruzar la BBB con mejores resultados que el CQ nativo, demostrando ser un
prometedor prototipo para tratar el Alzheimer.
Otra alternativa seria haciendo uso de NPs de oro. Recientemente se identifico que
estas NPs tienen el potencial de destruir las plaquetas de amiloide, por medio de un tipo de
cirugía molecular deteniendo o retrasando el progreso del Alzheimer sin dañar células
cerebrales sanas.
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Se encontró un enfoque similar para el tratamiento de otras enfermedades
neurodegenerativas que involucran agregación de proteínas, incluyendo el Parkinson. Se
trata de una técnica experimental que utiliza NPs metalicas para designar y destruir células
cancerosas.
3.2 Nano-materiales en medicina
El campo de los nano-materiales es grande, los lisosomas, dendrímeros y nano-geles
han sido utilizados para el control del envío de fármacos y crecimiento celular.
A pesar de todo las nano-partículas (NPs), puntos quánticos (QDs) y nano-tubos de
carbono (CNTs), de una manera u otro, todos los materiales se encuentran en estos.
Imagen No. 5: aquí se muestra algunos de los materiales más prometedores hasta el momento.
Los químicos médicos han hecho distintas combinaciones de estos nano-materiales
en busca del más apto para ser utilizado en la nano-medicina.
Todos estos nano- materiales tienen ciertas ventajas y desventajas, en la tabla
siguiente mostraremos las características de los más eficientes hasta ahora:
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Material Ventajas DesventajasNPs de silica mesoporosa
Variedad de formas y tamaños Conveniente incorporación de
grupos funcionales (amino, carboxilo, etc.) para la incorporación de agentes terapéuticos.
Su porosidad permite una gran carga de fármacos.
Existen preocupaciones de la estabilidad del revestimiento del nano-material, se ha demostrado que las NPs de silica no recubiertas con hemolíticas (desintegran glóbulos rojos).
Oxido de hierro super-paramagnetico (SPIONs)
Envió de fármacos en teranosticos (combinación de terapia y diagnostico).
Suministros dirigidos al área enferma por medio de una fuerza magnética externa.
Movimiento obstaculizado por el flujo de sangre.
Su sensibilidad a los imanes se reduce en presencia de un recubrimiento de polímero.
NPs de oro (AuNPs)
Propiedades físico-químicas únicas.
Su forma tiene un gran impacto en sus propiedades, las esferas y varillas absorben luz visible y jaulas y caparazones absorben luz en áreas cercanas al infrarrojo (NIR), donde el cuerpo humano es mayormente transparente.
Su heterogeneidad hace difícil generalizar aspectos importantes como evaluaciones en la bio-seguridad.
Su funcionalización química involucra la utilización de aminos, algo que limita la elección de factores desencadenantes de la carga y liberación de fármacos
Puntos quánticos (QDs)
Pueden ser componentes útiles en sofisticados nano-dispositivos debido a su pequeño tamaño, notable brillo, foto-estabilidad y ofrece emisión de luces de color para detección óptica.
Limitaciones debido a su composición de metales pesados (ej., cadmio)
Nano-tubos de carbono (CNTs)
Fuerte absorción de NIR. A favor gran superficie externa,
su vacio natural puede permitir cargas de fármacos, en un trasporte seguro en un ambiente celular traspasando barreras biológicas y ciertos vectores.
Tienen la habilidad de aumentar la actividad eléctrica de redes neuronales y miocitos cardiacos (se necesita más investigación).
Comprometen una gran heterogeneidad de materiales, la información de su bio-compatibilidad no debe ser y no se puede generalizar.
Dependiente de su pureza, propiedades físicas y naturaleza química.
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Conclusión
He llegado a la conclusión de que la regeneración celular haciendo uso de la nano-
tecnología se convertirá en una realidad en unos años, en algunas áreas más pronto que
otras pero se podrá hacer realidad, lo que se requiere es seguir haciendo investigaciones
para poder perfeccionar los tratamientos y si se puede llegar a ser posible encontrar la
manera de poder hacer una reducción de costos, esto para que los tratamientos puedan
llegar a manos del mayor número de personas que requieren el uso de la nano-tecnología.
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